平朔東露天礦采空區三維地震探測可行性研究

李靜濤，胡國新，李衛紅

（中煤平朔集團有限公司，山西 朔州 036000）

平朔東露天礦由于歷史原因，礦區內廢棄生產礦井和小窯較多，開采方式多樣，且開采資料不全，確切的采空位置、大小等不清，給露天礦采空區探測、治理工作帶來很大的困難，如何實現采空區的超前精細探測，是保障東露天礦采空區（空洞）治理以及表層剝離和采煤作業安全、高效推進面臨的首要地質問題[1]。

礦區內地球物理工作條件存在問題為：①地表由松散黃土層覆蓋，主采煤層埋藏深度較小；②有地面大型運輸車輛、采場振動、電磁干擾等不良條件。因此，針對該采剝區特殊情況開展“輕型可控震源和大功率電火花震源混合激發”及“無線節點式與分布式地震儀同步采集”的“兩寬一高（寬頻、寬方位、高密度）”三維反射地震采集技術研究，開展井控地震數據高分辨關鍵處理技術及基于屬性體的解釋技術研究，形成“綠色激發”條件下厚黃土淺埋深采空區的三維地震精細探測方法[2]，提高利用地震縱波信息識別采空區的精度與準確率，提高地質構造及采空區探測的尺度與精度，形成適用于平朔露天開采特殊施工地質情況下的采空區探測技術體系[3]。

1 地震地質條件

1）淺表層地震地質條件。全區地表均已開始進行剝離，其中大部分為黃土剝離區，殘存黃土厚度在0～30 m 不等，地震波激發條件較差；采剝區東南部為基巖剝離區，激發條件相對較好，但該區為露天基巖爆破剝離區，礦方生產施工作業繁忙。采剝區內煤礦重型作業車輛多，交通繁忙，對地震施工干擾影響嚴重，存在較大安全風險。綜上，本區淺表層地震地質條件為復雜區[4]。

2）中深層地震地質條件。根據已知鉆井資料分析，采剝區中深層地震地質條件的特點是：煤層厚度大，埋深淺。其中，采剝區內4 號煤層底板埋深30～190 m；9 號煤層75～230 m。9 號煤與4 號煤層間距比較穩定，間距在50m 左右。結合以往鄰區的地震資料，由于煤層和上覆巖層在密度和速度等物性參數上差異較大，兩者的接觸界面為一強波阻抗界面。因此4 號煤層能形成能量較強的T4 反射波，9 號煤層所形成的T9 煤層反射波因為受到上覆4 號煤層對地震波的吸收、衰減、屏蔽作用影響，同相軸能量較弱，頻率較低[5]。

3）在上覆地層中，不整合界面、厚度較大的砂巖也能產生有一定強度的反射波，如新生界底界不整合接觸界面、K3 砂巖等，這些反射波都有一個共同的特點，即反射強度及連續性變化頻繁，極不穩定，可能與其沉積相變有關。這些反射波組為本區構造解釋可提供輔助作用[6]。

2 試驗方案及有效性分析

2.1 試驗位置和試驗內容

根據區內表層巖土剝離情況，黃土殘存厚度不一，結合已知資料掌握的采空區分布情況，在區內分別布設了2 個點試驗（S1、S2）和2 個線試驗工作（L1、L2）。

點試驗：S1 點試驗進行了可控震源和400 kg 重錘夯擊震源等2 種震源的激發參數試驗，主要進行了震動臺次、掃描長度、掃描頻率、驅動振幅、重錘高度、垂疊次數等激發參數的試驗對比。S2 點試驗進行了可控震源、400 kg 重錘夯擊震源、電火花震源、300 kg 橫波重錘震源等4 種震源的激發參數試驗。

線試驗：在采剝區內布設2 條線試驗L1 和L2，均跨越采空區，分別采用反射縱波、反射橫波及折射波等不同勘探技術進行方法可行性對比分析。兩線均進行了可控震源激發下的縱波、SH 橫波、SV 橫波等3 種激發方式的線試驗[7]，均采用相同的觀測系統。

2.2 震源有效性點試驗成果認識

1）S1 點可控震源縱波資料分析。利用可控震源[8]，在“驅動幅度75%，掃描頻率12～160 Hz，掃描長度10 s”等固定參數前提下，進行了“1 次、2 次、3次、5 次”的震動臺次試驗，S1 縱波震動臺次試驗定量分析如圖1，S1 靜校正后震動臺次試驗單炮記錄分頻掃描如圖2。

圖1 S1 縱波震動臺次試驗定量分析

圖2 S1 靜校正后震動臺次試驗單炮記錄分頻掃描

2）S1 點夯擊震源資料分析。用400 kg 夯擊震源進行縱波激發，在固定重錘高度2 m 的前提下，進行了“1 次、2 次、3 次、4 次、5 次、6 次”的垂疊次數試驗，垂疊次數越多，資料信噪比越高，對隨機干擾的壓制作用越強，4～6 次垂疊次數單炮資料較好。但整體信噪比低。綜合考慮，建議選擇垂疊次數5 次。

3）S2 點電火花震源資料分析。通過對不同激發參數的單炮資料進行對比分析得出，電火花震源激發能量較差，難以獲得目的層的有效反射波。綜合認為，針對本工區，電火花震源基本不可用。

4）S2 點橫波重錘震源資料分析。通過對比分析得出，300 kg 橫波重錘震源激發能量較差，難以獲得目的層的有效反射波。綜合認為，針對本工區，300 kg 橫波重錘震源基本不可用。

通過對4 種非炸藥震源的不同激發參數進行系統性的震源有效性試驗對比工作，最終采用可控震源或400 kg（或更大質量）以上夯擊震源激發進行縱波、SH 橫波、SV 橫波的反射法勘探，震源及激發參數有效性對比見表1。

2.3 方法有效性線試驗成果認識

1）L1 線反射縱波資料分析。通過對反射縱波靜校正后單炮和處理剖面進行資料品質分析：地震剖面上4 煤采空區表現為同相軸缺失、雜亂反射。位置與地質剖面基本一致；不同淺表層巖性出露地段均獲得有效反射波，強干擾地段受外包機械作業限制，干擾嚴重，資料品質有所下降。剖面主頻30～55 Hz，頻帶寬度10～100 Hz，分辨能力7.6～14 m（縱波速度2 400 m/s），L1 線縱波線試驗地震剖面如圖3。

表1 震源及激發參數有效性對比

圖3 L1 線縱波線試驗地震剖面

2）L2 線反射縱波資料分析。不同淺表層巖性出露地段均獲得有效反射波；4 煤采空區位置與地質剖面基本一致；地震剖面主頻35～55 Hz，頻帶寬度10～90 Hz，分辨能力7.6～12 m 左右，L2 線縱波線試驗地震剖面如圖4。

圖4 L2 線縱波線試驗地震剖面

通過后期地震剖面和地質剖面對比得出：反射縱波能夠獲得新生系底界不整合面、4 煤、9 煤等多組有效反射波；在不考慮強干擾影響的情況下，面元大小5 m，覆蓋次數大于36 次的地震剖面段資料信噪比高，品質較好，分辨率高，能夠真實反映地層結構、采空等地質異常。

3 結語

平朔東露天礦復雜地形條件下三維地震可行性研究實驗，通過不同震源、參數的選取，最終取得了較好的試驗成果，為平朔公司選擇有效的采空勘查方法提供依據：

1）通過對可控震源、400 kg 夯擊震源、電火花震源、橫波重錘震源等4 種非炸藥震源進行系統性的震源有效性試驗對比工作，最終選取了可控震源（7 t）縱波激發，80%驅動振幅、掃描長度12 s、掃描頻率12～160 Hz，5 次垂疊效果較好。

2）采用可控震源激發、面元5 m、36 次覆蓋觀測、單點60 Hz 檢波器接收，獲得的目的層段反射P 波主頻可達50～60 Hz，分辨能力可達到7.6～14 m。達到了查明長軸大于等于15 m，平面擺動誤差不大于30 m 的采空區平面分布位置的目的任務。